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水声扩频通信关键技术研究

周锋  
【摘要】:水声信道是最复杂的无线信道之一,也是极少可以肩负远距离水下传输的媒质。由于海洋介质对高频的衰减很严重,造就了它极窄的传输带宽;由于声波在海洋中传输速度缓慢,收发的相对运动导致接收信号存在有大多普勒频偏;而相干多途到达的信号又使接收信号产生畸变。海洋环境的复杂多变注定了水声信道的多途、多普勒、随机时变和空变。 扩频技术以其自身特有的优势,具有克服复杂信道各种不利条件的能力。在无线电通信领域,扩频已经是一项非常成熟的技术,并已经得到广泛的应用。但是由于水声信道的复杂性,研究开发适应、适用于水声信道的扩频通信技术,仍然是科研人员致力于研究的热点问题。 目前,研究水声扩频通信技术所面临的两个最为主要的难题是: 1.面对水声信道严重的时变性,需要研究可跟踪信道时变的扩频同步技术; 2.面对水声信道严重受限的带宽,需要研究高效带宽利用率的扩频技术。 本文正是围绕这两个主题展开,分别对扩频的同步技术、高频谱利用率的多载波扩频技术和MIMO扩频技术进行了深入的研究。 为适应水声信道快速时变性和提高扩频系统序列调制效率,本文研究采用高效的M-ary正交序列调制技术的正交混合扩频通信方案,通过不间断的发送同步序列以实现接收端对信道实时测量。 水声信道下的多普勒属于宽带多普勒,且载波频率偏移和码相位的偏移是两个相互关联的因素,研究基于时频二维搜索的序列捕获方案,在载波频率偏移和码元相位偏移组成的二维空间内找寻最优的载频和码元相位,实现同时捕获和跟踪载波频率和码片相位的变化,过仿真验证及湖试、海试数据处理分析,验证了时频二维搜索算法在扩频同步上的有效性和鲁棒性,证明该方案可以很好的适应水声信道。 研究了正交多载波水声扩频通信技术。结合水声信道特点,为了体现出多载波扩频对比单载波扩频在性能上的优势,本文定义了一个比较参量——码片载频系数(由于无线通信中的带宽与中心频率之比要远大于水声信道的,因此无线通信科研人员基本不用关心码片载频系数的大小,所以无线通信没有给出此参量的定义)。正交多载波水声扩频系统,利用载波间的正交性,既保证载波间互不干扰,又提高了频谱利用率,同时控制码片载频系数与单载波接近。 扩频信号的符号时间长且占用带宽宽,水声扩频技术在时间域和空间域上已经没有可利用的多余资源,为了进一步提高系统的速率和性能,利用空间域资源的MIMO技术成为一条有效出路。本文给出了MIMO适用于水声信道的扩频通信方案,分别对接收分集和发射分集进行了细致地仿真。 在经过各种仿真研究后,为了进一步验证每一种方法在实际水声信道中的性能,本文进行了大量的水池、湖试和海试试验,验证了各种算法和方案的有效性,均取得了较好的试验结果。尤其在正交多载波水声扩频技术方面进行的海试试验,实现了海上11.23km远程传输试验,带宽4kHz条件下,通信速率达到94.1176bps,频谱利用率相对于单载波提高近50%。


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